CN110217270A - 一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法及系统。该方法包括：获取列车车速并根据车速设置安全距离；调节相机焦距，使相机聚焦在安全距离处；调节结构光产生器的焦距使结构光产生器输出的结构光聚焦在安全距离处，调节结构光出射的角度或方向使到达安全距离处的光线落入相机在安全距离处的视场区域内；采集相机输出图像，判断输出图像是否清晰，若输出图像清晰，认为安全距离处存在入侵异物；对列车驾驶员进行提示和/或制停列车。本发明结合了结构光技术和视觉技术，实现对列车运行的轨道前方固定距离处异物入侵的检测，当存在异物时，及时对列车驾驶员进行提示或者制停列车，对列车安全行驶具有重大社会和经济效益。

Description

一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法及系统

技术领域

本发明属于铁路安全监测技术领域，特别是涉及一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法及系统。

背景技术

随着我国轨道交通的不断发展，列车运行速度越来越快，人们对列车安全行驶越来越看重。轨道沿线突发情况，如人员入侵、牲畜误入、落石、泥石流、边坡溜塌等成为影响行车安全的重大隐患。在各种气候(如：风、雨、雪、雾)条件下全天候不间断监控异物侵限，成为轨道交通行车安全的重要技术保障。另外高速运行的列车其动能和惯性力都很大，如有异物入侵路线，列车很难在短时间、短距离内制动停，再加上异物入侵发生时间具有突发性、无规律性和不可预测性等特点，对列车运行路线进行实时监测并及时报警是必要的。

目前一些入侵检测方法是对于一些易发生土、石崩塌和物落等整治投资大、施工困难的地段，需要根据预测的塌方范围及落物轨迹、设置异物入侵监测装置，以便及时发现异物侵限事故，提前采取应对措施。例如基于防护网传感器技术、标杆位移监控技术、微波技术、智能图像分析技术及应力光纤光栅技术的解决方案，该方法虽然能避免一些事故，由于异物入侵的突发性、不可预测等特点，存在误报、漏报多等问题。因此一个异物入侵监测并及时报警对于保证列车高舒适、高安全、高速度是必不可少的。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，包括：

步骤S1，获取列车车速并根据所述车速设置安全距离，所述安全距离不小于列车在所述车速下制动到停止状态时向前滑行的距离；

步骤S2，调节相机焦距，使相机聚焦在安全距离处；调节结构光产生器的焦距使所述结构光产生器输出的结构光聚焦在安全距离处，调节结构光出射的角度或方向使到达安全距离处的光线落入相机在安全距离处的视场区域内；

步骤S3，采集相机输出图像，判断输出图像是否清晰，若输出图像清晰，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；若输出图像不清晰，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3；

步骤S4，对列车驾驶员进行提示和/或制停列车。

上述技术方案的有益效果为：结构光聚焦在安全距离处，使得轨道异物只有在安全距离处，结构光在异物上的投影是清晰的，远了近了都会模糊；调整相机的焦距，使只有安全距离处的物体才能够被清晰成像，物体远了或者近了，相机拍摄的图像都不清晰；将两个清晰条件结合，使得本方法可以应用于全天检测，不会受夜晚或白天光线强度的影响，通过判断相机输出图像是否清晰就能准确获得前方安全距离处是否存在异物的信息。安全距离确保了列车有足够的时间制动，提高了安全性。本发明结合了结构光技术和视觉技术，实现对列车运行的轨道前方固定距离处异物入侵的检测，当存在异物时，及时对列车驾驶员进行提示或者及时制停列车，对列车安全行驶具有重大社会和经济效益。

在本发明的一种优选实施方式中，预设所述结构光的形状为十字或点阵或多条平行条纹或环形。

上述技术方案的有益效果为：这些形状具有对称性，不同的局部具有相同的特征，比较容易判断局部纹理是否吻合。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S3中，在判断输出图像清晰后，还需判断输出图像中结构光投影图像的纹理是否与预设的结构光形状吻合，若吻合，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；

若不吻合，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3。

上述技术方案的有益效果为：进一步地对输出图像中结构光投影图像的纹理进行判断，避免了其他干扰光线从朝向列车的方向入射到安全距离处在输出图像上成像引起的误判，增强了异物入侵检测的可靠性。

在本发明的一种优选实施方式中，当输出图像中结构光投影图像的纹理与预设的结构光形状吻合时，还需对吻合区域的大小进行判断，具体为：

设置第一比例阈值；

获取吻合区域在输出图像中所占的比例；

若所述比例大于等于第一比例阈值，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；

若所述比例小于第一比例阈值，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3。

上述技术方案的有益效果为：当异物体积较小且不影响列车安全性时不提示驾驶员或不制停列车，避免频繁冲突提示和制停。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S3中，判断输出图像是否清晰的方法包括：

步骤S31，将输出图像显示在驾驶舱内的显示器上；

步骤S32，列车驾驶员观察显示图像是否清晰以及观察是否存在与结构光形状吻合的图形。

上述技术方案的有益效果为：通过人眼观察直观形象，避免了复杂算法。

在本发明的一种优选实施方式中，所述安全距离D_s的计算公式为：

D_s＝V*t_反应+D_刹车；

其中，所述V为列车车速，t_反应为列车驾驶员的反应时间，D_刹车为列车在车速为V时刹车滑行的距离。

上述技术方案的有益效果为：给出了安全距离的一种计算方式，这种方式考虑到了列车驾驶员的反应时间，更符合实际情况，提高了安全性。

在本发明的一种优选实施方式中，对列车驾驶员进行提示的方法为语音提示、显示画面提示、灯光提示三者中的部分或它们的任意组合；

和/或在所述相机拍照的同时进行交替补光操作。

上述技术方案的有益效果为：多种提示方式结合，效果更好。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种轨道入侵异物检测系统，所述系统采用本发明所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法进行入侵异物检测，包括安装在列车车头前端面的至少一个相机、至少一个结构光产生器，所述相机拍摄列车前方景象，所述结构光产生器向列车前方发射结构光；

还包括处理器；所述处理器的图像输入端与相机的输出端连接，处理器的图像输出端与列车驾驶室的显示器的图像输入端连接。

上述技术方案的有益效果为：结构光聚焦在安全距离处，使得轨道异物只有在安全距离处，结构光在异物上的投影是清晰的，远了近了都会模糊；调整相机的焦距，使只有安全距离处的物体才能够被清晰成像，物体远了或者近了，相机拍摄的图像都不清晰；将两个清晰条件结合，使得本方法可以应用于全天检测，不会受夜晚或白天光线强度的影响，通过判断相机输出图像是否清晰就能准确获得前方安全距离处是否存在异物的信息。安全距离确保了列车有足够的时间制动，提高了安全性。该系统结合了结构光技术和视觉技术，实现对列车运行的轨道前方固定距离处异物入侵的检测，当存在异物时，及时对列车驾驶员进行提示或者及时制停列车，对列车安全行驶具有重大社会和经济效益。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括提示装置，所述提示装置的输入端与处理器的信号输出端连接；所述提示装置包括蜂鸣器和/或警示灯；

和/或还包括设置在列车车头前端面对相机拍摄进行交替补光的补光灯。

在本发明的一种优选实施方式中，一个所述相机与至少一个所述结构光产生器构成一个组合对；

当所述组合对为多个时，所述组合对分散布置在列车车头前端面上。

上述技术方案的有益效果为：实现列车前方全方位检测，避免相机视场角有限导致的漏检，提高了异物入侵检测的可靠性。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中轨道入侵异物检测系统的实施示意图。

附图标记：

1列车车头前端面；2相机；3结构光产生器；4轨道。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种针对固定距离处轨道4入侵异物检测方法，包括：

步骤S1，获取列车车速并根据车速设置安全距离，安全距离不小于列车在该车速下制动到停止状态时向前滑行的距离；

步骤S2，调节相机2焦距，使相机2聚焦在安全距离处；调节结构光产生器3的焦距使结构光产生器3输出的结构光聚焦在安全距离处，调节结构光出射的角度或方向使到达安全距离处的光线落入相机2在安全距离处的视场区域内；

步骤S3，采集相机2输出图像，判断输出图像是否清晰，若输出图像清晰，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；若输出图像不清晰，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3；

步骤S4，对列车驾驶员进行提示和/或制停列车。

在本实施方式中，安全距离与当前列车车速成正相关，通常在列车行驶中，车速会时高时低，但通常有一个最高车速限制，因此，为提高本检测方法的安全性，我们可以根据最高车速来设置安全距离。

优选的，安全距离D_s的计算公式为：

D_s＝V*t_反应+D_刹车；

其中，V为列车车速，优选的，V为最高车速；t_反应为列车驾驶员的反应时间，通常预设为0.5-1.5秒；D_刹车为列车在车速为V时刹车滑行的距离，该数值通常可以根据列车的安规手册上可以查到。

在本实施方式中，调节结构光出射的角度或方向使到达安全距离处的光线落入相机2在安全距离处的视场区域内，该视场区域可认为是相机2视场角锥体与安全距离处的竖直面相交的平面。到达的光线可全部落入该视场区域内，也可如图1所示部分落入。

在本实施方式中，判断图像是否清晰可采用现有技术，如可按照公开号为CN106101697A或CN103093419A的专利中公开的技术方案。

在本实施方式中，当白天时，相机2若拍摄到清晰图像，当结构光颜色为白色或浅色时，可能在输出图像中结构光的纹理不是很明显，此时清晰图像主要为异物图像；当黑夜或在隧道中时，清晰图像中主要体现结构光在异物表面的投影纹理，认为在安全距离处存在异物。

在一种优选实施方式中，预设结构光的形状为十字或点阵或多条平行条纹或环形。

在一种优选实施方式中，在步骤S3中，在判断输出图像清晰后，还需判断输出图像中结构光投影图像的纹理是否与预设的结构光形状吻合，若吻合，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；

若不吻合，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3。

在本实施方式中，由于轨道4存在路灯或基桩指示灯等干扰光源，这些干扰光源发出的光线有可能到达安全距离并在相机2的输出图像中成像，因此，增加纹理吻合判断很有必要。同时，由于异物在安全距离处的表面可能为凹凸不平、褶皱、或者该表面的尺寸小于结构光的投影面，使得输出图像中得到的结构光投影图像为整个结构光投影的一个或多个局部，因此，很有必要对结构光投影图像进行纹理吻合判断。

在本实施方式中，纹理是否吻合可通过人眼观察，也可通过如下方法自动判断：

设置参考图像，该参考图像为结构光全部光线投射到设置在安全距离处的表面光滑的投影幕上时由相机2拍摄获得的图像；

比较输出图像与参考图像中结构光投影图像的至少一个几何参数是否相同或相近，若相同或相近认为输出图像中结构光投影图像的纹理与预设的结构光形状吻合，否则，不吻合。

几何参数包括：当结构光形状为十字光时，几何参数可为垂直线与水平线的夹角，垂直线的宽度，水平线的宽度等。

当结构光形状为点阵时，几何参数可为点点之间的距离、点直径等。

当结构光形状为多条平行条纹时，几何参数可为条纹之间的距离、条纹宽度，条纹数量等。

当结构光形状为环形时，几何参数可为环形宽度，环形内边或外边的曲率半径。

在一种优选实施方式中，当输出图像中结构光投影图像的纹理与预设的结构光形状吻合时，还需对吻合区域的大小进行判断，具体为：

设置第一比例阈值；

获取吻合区域在输出图像中所占的比例；

若该比例大于等于第一比例阈值，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；

若该比例小于第一比例阈值，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3。

在本实施方式中，第一比例阈值为预设值，取值范围可为0.2到1。吻合区域在输出图像中所占的比例可通过如下方法快速获得：

对输出图像进行灰度处理获得灰度图像，记录灰度图像中灰度值大于0的像素点的个数，将该个数与灰度图像总像素点个数的比值作为吻合区域在输出图像中所占的比例。

在一种优选实施方式中，在步骤S3中，判断输出图像是否清晰的方法包括：

步骤S31，将输出图像显示在驾驶舱内的显示器上；

步骤S32，列车驾驶员观察显示图像是否清晰以及观察是否存在与结构光形状吻合的图形。

在本实施方式中，优选的，在显示器上还显示有上述实施方式中的参考图像，以便驾驶员对比。

在一种优选实施方式中，对列车驾驶员进行提示的方法为语音提示、显示画面提示、灯光提示三者中的部分或它们的任意组合；

和/或在相机2拍照的同时进行交替补光操作。

在本实施方式中，显示画面提示为在驾驶室的显示器上显示文字提示信息。

本发明还公开了一种轨道入侵异物检测系统，在一种优选实施方式中，该系统采用本发明的针对固定距离处轨道4入侵异物检测方法进行入侵异物检测，包括安装在列车车头前端面1的至少一个相机2、至少一个结构光产生器3，相机2拍摄列车前方景象，结构光产生器3向列车前方发射结构光；

还包括处理器；处理器的图像输入端与相机2的输出端连接，处理器的图像输出端与列车驾驶室的显示器的图像输入端连接。

在本实施方式中，该系统的实施示意图如图1所示，此时结构光的形状选择了方形。处理器可与驾驶室内的控制平台通信连接，这样便于当有异物出现时，制停列车，或者在由控制平台控制的显示器显示相机2的输出图像。

在本实施方式中，调节相机2焦距，使相机2聚焦在安全距离处；调节结构光产生器3的焦距使结构光产生器3输出的结构光聚焦在安全距离处，调节结构光出射的角度或方向使到达安全距离处的光线落入相机2在安全距离处的视场区域内；这些调节可均通过手动调节，在列车运行前，在安全距离处设置一个竖直放置的投影幕，先调节相机2焦距，使得输出图像清晰显示投影幕图像；再调节结构光产生器3的焦距，同时相机2实施拍摄，根据输出图像中结构光的投影图像是否清晰调节结构光产生器3的焦距，直到结构光的投影图像清晰；再调节结构光出射的角度或方向，使得到达安全距离处的光线落入相机2在安全距离处的视场区域内。

在本实施方式中，优选的，结构光产生器3可相对列车车头前端面1转动，具体的可以为完成竖切面180度和横切面的180度旋转，可通过连接铰链、或两个转动平台叠加等现有结构实现，为现有技术，在此不再赘述。

在一种优选实施方式中，还包括提示装置，提示装置的输入端与处理器的信号输出端连接；

提示装置包括蜂鸣器和/或警示灯；

和/或还包括设置在列车车头前端面1对相机2拍摄进行交替补光的补光灯。

在一种优选实施方式中，一个相机2与至少一个结构光产生器3构成一个组合对；

当组合对为多个时，组合对分散布置在列车车头前端面1上。

在本实施方式中，一个组合对中的相机2和结构光产生器3位置靠近放置。组合对分散布置的方式优选但不限于为在列车车头前端面1中线上等距布设，以便检测不同高度的入侵异物。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1，获取列车车速并根据所述车速设置安全距离，所述安全距离不小于列车在所述车速下制动到停止状态时向前滑行的距离；

步骤S2，调节相机焦距，使相机聚焦在安全距离处；调节结构光产生器的焦距使所述结构光产生器输出的结构光聚焦在安全距离处，调节结构光出射的角度或方向使到达安全距离处的光线落入相机在安全距离处的视场区域内；

步骤S3，采集相机输出图像，判断输出图像是否清晰，若输出图像清晰，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；若输出图像不清晰，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3；

步骤S4，对列车驾驶员进行提示和/或制停列车。

2.如权利要求1所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，预设所述结构光的形状为十字或点阵或多条平行条纹或环形。

3.如权利要求2所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在判断输出图像清晰后，还需判断输出图像中结构光投影图像的纹理是否与预设的结构光形状吻合，若吻合，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；

若不吻合，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3。

4.如权利要求3所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，当输出图像中结构光投影图像的纹理与预设的结构光形状吻合时，还需对吻合区域的大小进行判断，具体为：

设置第一比例阈值；

获取吻合区域在输出图像中所占的比例；

若所述比例大于等于第一比例阈值，认为安全距离处存在入侵异物，进入步骤S4；

若所述比例小于第一比例阈值，认为安全距离处不存在入侵异物，判断列车行程是否结束，若行程结束，异物检测结束，若行程未结束返回继续执行步骤S3。

5.如权利要求1所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，判断输出图像是否清晰的方法包括：

步骤S31，将输出图像显示在驾驶舱内的显示器上；

步骤S32，列车驾驶员观察显示图像是否清晰以及观察是否存在与结构光形状吻合的图形。

6.如权利要求1所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，所述安全距离D_s的计算公式为：

D_s＝V*t_反应+D_刹车；

其中，所述V为列车车速，t_反应为列车驾驶员的反应时间，D_刹车为列车在车速为V时刹车滑行的距离。

7.如权利要求1所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法，其特征在于，对列车驾驶员进行提示的方法为语音提示、显示画面提示、灯光提示三者中的部分或它们的任意组合；

和/或在所述相机拍照的同时进行交替补光操作。

8.一种轨道入侵异物检测系统，其特征在于，所述系统采用权利要求1-7之一所述的针对固定距离处轨道入侵异物检测方法进行入侵异物检测，包括安装在列车车头前端面的至少一个相机、至少一个结构光产生器，所述相机拍摄列车前方景象，所述结构光产生器向列车前方发射结构光；

还包括处理器；所述处理器的图像输入端与相机的输出端连接，处理器的图像输出端与列车驾驶室的显示器的图像输入端连接。

9.如权利要求8所述的轨道入侵异物检测系统，其特征在于，还包括提示装置，所述提示装置的输入端与处理器的信号输出端连接；所述提示装置包括蜂鸣器和/或警示灯；

和/或还包括设置在列车车头前端面对相机拍摄进行交替补光的补光灯。

10.如权利要求8所述的轨道入侵异物检测系统，其特征在于，一个所述相机与至少一个所述结构光产生器构成一个组合对；

当所述组合对为多个时，所述组合对分散布置在列车车头前端面上。